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安全泄压装置设计中泄放系数的确定

文档作者：王东宇王淑兰丁信伟文档来源：大连理工大学化工学院		点击数：	更新时间： 2020年12月28日
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安全泄压装置设计中泄放系数的确定
王东宇王淑兰丁信伟
（大连理工大学化工学院辽宁!!"#!$）
摘要通过对安全泄压装置简化模型进行流体力学分析，研究了泄放系数的物理意义，推导出了泄放
系数的计算公式，为泄放系数的通用值!"%#&amp;amp;"$提供了理论依据。
关键词物理超压泄放泄放系数
! 引言
泄放面积的计算是安全泄压装置设计中的重要
组成部分，泄放系数是泄放面积计算过程中不可缺
少的重要参数。它的取值将关系到泄放计算的准确
性和可靠性。因此，正确地选取泄放系数是关系到
安全生产的重要环节。
目前，各国都制定了与安全装置相关的设计标
准和规范，比如，美国机械工程师协会制定的’()*
标准，美国石油学会制定的’+,-$#标准，,(.组织
制定的,(."/!0以及我国制定的12-"/344等标
准。在各标准中的泄放面积设计公式里，都引入了
泄放系数!"
（各标准中的符号有所不同）这一参数，
但都很少谈到它的取值依据。本文就此参数进行推
导，以便为工程设计提供基础数据。
" 泄放系数的推导
泄放系数!"
是考虑安全装置阻力时，介质在
单位时间内的实际质量排量与同一介质在同一参数
和同一压差下通过理想喷嘴时的理论排量之比，即
#$实%!"#$理。泄放系数取决于安全装置的结构、
流道部分的形状和尺寸比例以及内壁的粗糙程度。
这里，安全装置的形状和尺寸比例具有决定意义。
可以认为，安全装置的泄放系数与雷诺数无关，因而
也就与介质的性质和参数无关。这是因为经过安全
装置的流动通常是在大大高于临界雷诺数的情况下
发生的，所以流道的几何相似足可保证流动的相似
性〔!〕。
实际的质量排量与理想喷嘴的排量之所以有差
别，主要有两方面的原因。第一方面，是因为泄放管
的直径小于容器的直径，泄放管与容器直接相连，管
道突然收缩，流体的流道缩小，造成了流体质点的流
动轨迹朝管道内收缩。如图!所示。
图! 流道突然收缩造成的流动截面的收缩现象
由图可见，由于管道突然收缩造成了流体与管
壁分离，导致流动的旋涡形成。流体与管壁的分离
必然导致流动横截面积收缩。图中，535截面是截
面发生收缩后的最小流动面积，称为“收缩断面”。
从此截面之后，流动面积逐渐扩大直到下游管的整
个截面积为止。
下面对泄放管!3!截面到$3$截面之间进行
能量分析。试验证明〔$〕，大多数压强损失（即能量
第!0卷 第6期 中国锅炉压力容器安全 ·$6·
损失）的发生是由于流动面积从收缩断面开始扩大
直到下游管的整个横断面所形成旋涡的结果，因此，
可用截面突然扩大的研究方法来研究这种能量损
失。分别在泄放管内选取截面!"!和收缩断面#
"#为研究对象。由上面的论述可知，断面$"$与
断面!"!之间的压强损失可用收缩断面#"#与
断面!"!之间的损失代替。
设收缩断面#"#的面积为!"
，截面$"$的
面积为!$
，截面!"!的面积为!!
。用连续方程来
表示#"#截面和!"!两截面处的流量
!"!#"%!!!#!
（$）
式中，!#"
，!#!
分别代表泄放管两个截面处的平均速
度。
在收缩断面#"#和截面!"!之间应用动量
方程即沿流动方向的合力%沿流动方向动量的变化
率，可导出下列关系式：
$"!"&amp;amp;$%（!!"!"
）"$!!!%!!!!#!
（!#!
"!#&amp;amp;
） （!）
式中，$"
和$!
分别为收缩断面#"#和断面!"!
处的压强，$%是作用在断面面积为（!!"!"
）的环
域上的压强，它是由于流体从小流通截面向大流通
截面流动所产生的加速度而造成的，可假定$%%
$"
，这一结论已经得到了实验的验证〔!〕。因此，式
（!）可简化为：
$""$!%!!#!
（!#!"!#"
） （’）
在收缩断面#"#和截面!"!上应用伯努利方程，
用’ 代表由于分离所造成的能量损失，于是可导出
压差（$""$!
）的表达式：
$"
!(&amp;amp;!#!
"
!(&amp;amp;)"%$!
!(&amp;amp;!#!!
!(&amp;amp;)!&amp;amp;’ （(）
忽略泄放管收缩断面与出口之间的垂直距离，)!%
)"
，因而
’%
（$""$!
）
!( &amp;amp;!#!
""!#!!
!(
（)）
同时，以式（’）的$""$!
代入上式
’%!!#!
（!#!"!#"
）
!( &amp;amp;!#!
""!#!!
!( %$
!(
（!!#! !"!!#"!#!
&amp;amp;!#!
""!#!!
）
’%
（!#""!#!
）!
!(
（*）
由式（$）!#!%!#"
（!"
／!!
）
’%!#!
"
!( $"!"
!
（ ）
!
!
%!#!
"
!(
（$"""
）! （+）
式中""
为收缩系数，取决于不同的泄放管入口形
式，可由试验确定。实际的泄放最小面积!"%
!!""
。对于任意给定的容器和泄放管的面积比
!!
／!$
，""
都有不同的值相对应，表$列出了几个
""
的试验值。
表! 突然收缩的收缩系数〔"〕
!!
!$
,-$ ,-’ ,-) ,-+ $-,
"" ,-*$ ,-*’! ,-*+’ ,-+’ $-,
表中，!$
是截面$"$的面积，即垂直于泄放管
的容器截面积，!!
是截面!"!的面积，即泄放管的
横截面积。由表可见，不同的面积比，收缩系数相差
很大。在实际应用的泄放装置中，面积比!!
!$
一般都
不会达到$-,，常用的都小于,-)。
第二方面原因，是因为在实际的流动中，必有能
量损失，所以流动速度!#"
要小于理论计算值：
收缩断面的实际速度%"#.!#"
（/）
式中"#
为流速系数，必须由试验确定，其值约为
,-0+〔!〕。
现在我们来计算实际的流量：
实际流量%收缩断面的实际面积!".收缩断
面的实际流速
根据以上分析，实际流量与理论流量之间的差
别的两点原因：
收缩断面的实际面积%"##!
收缩断面的实际流速%""!!
实际流量%""!!."##!%"""#.!!#!%
"""#.理论流量
由此可见，泄放系数"*
等于速度系数"#
与收
缩系数""
的乘积。"#
和""
值均由试验确定。
为了准确的计算泄放管的面积应该采用试差法
计算收缩系数。但是工程上为了方便计算，对于液
体泄放， （下转第’’页）
·!(· 中国锅炉压力容器安全 第$/卷 第’期
（!）对于胀口上的腐蚀与磨损，不允许堆焊，其他
堆焊受热面应距胀口腐蚀、磨损处在"##$$以外。
（%）堆焊时应采用直径!&amp;amp;’("!’&amp;amp;$$焊条，且
与母材相适应，施焊电流要小，平稳，一般为)#"
"#(*，尽量采用直流焊机施焊。
（(）钢材腐蚀较深，需多层熔焊时，每层厚度不
要超过!$$，上下两层焊道方向互相垂直，或成
+#,，上层每格的划分比下层每格的划分增大或缩
小，不要在分界处产生过深的凹坑。最上一层焊缝
高度比母材板面高出&amp;amp;$$左右（图!）。
图! 焊缝高出金属板面图% 焊道与板面，焊道与
焊道的关系
（+）焊条在钢板上熔成的焊道与板面的交角应
大于)#,，以便清除熔渣，每个焊道应遮盖前一道焊
道宽的"／!""／&amp;amp;（图%）。
（-）堆焊后应清除焊缝表面的氧化皮和毛刺，焊
缝表面应是均匀的细鳞状，表面上不许有弧坑，夹渣
气孔，裂缝；咬边的深度不得超过#’($$。
（.）堆焊结束后，可用手提砂轮机或磨光机将堆
焊面高出钢板部分适当修磨，使边缘与钢板平滑过
渡，以减少应力集中。若发现焊接缺陷，必须严格清
除，然后补焊。对于特别重要的部位，堆焊后进行渗
透探伤或磁粉探伤，以确保修理质量。
以上是锅炉维修中运用堆焊技术所需注意的技
术环节，其实效性已被实践证明，不可忽视。尽管堆
焊可以修复部件，但堆焊时的热量会使热影响区金
属组织粗大，性能恶化，故不宜重复多次进行，操作
者必须技术娴熟，力争一次堆焊成功，避免返修。当
然，工程实践中碰到的情况是多种多样的，各单位的
修理条件也不尽相同，故使用堆焊技术时必须具体
问题具体对待，制定出既不违反技术法规，又能获得
预期效果的最佳方案来实施。
参考文献
" 国家质量技术监督局’锅炉定期检验规则（附解释）’
")))年
&amp;amp; 劳动部’在用锅炉定期检验规则’")..年
! 陆绪常’工业锅炉损坏和维修’北京：劳动部锅炉压力
容器安全杂志社，"))&amp;amp;
（收稿日期#"/#./#+
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
）
（上接第&amp;amp;%页） 选取最危险的情况下的数值并适
当地偏于保守来作为设计使用的泄放系数，美国的
0120公司采用#’+&amp;amp;作为泄放系数〔!〕，这一数值被
广泛采用；对于气体泄放，不同的入口形式，泄放系
数不同（见314+-".中表*’"）。
! 泄放系数取"#$%的原因
对于一般情况下的泄放系数取#’+&amp;amp;是按如下
考虑得来的：
泄放管的入口形式如图&amp;amp;中*所示，此时的收
缩系数!!
值约为#’+%〔&amp;amp;〕（该值是表"所列的常用
的面积比的平均值（#’+"5#’+!&amp;amp;5#’+-!）／!"
#’+%）。又由于速度系数!"
约为#’)-，这样，
!#6!!!"6#’+%7#’)-6#’+.
对于图&amp;amp;中$，! 两种形式的泄放管接口，泄放系数
如果取#’+&amp;amp;，将产生较大的计算误差。此时的泄放
图&amp;amp; 泄放管接口示意图
系数应重新考虑。
参考文献
" 89#’康德拉契娃’安全阀’上海：上海科学技术出版
社，")."
&amp;amp; :9;9<=>?@AB，:9C9DABE=FGH，:9*91IAJJEG@K著’汤全明译
’流体力学’北京：高等教育出版社，"))&amp;amp;
! L’L’路德维希’化工装置的工艺设计’北京：化学工业
出版社，")-)
（收稿日期#"/""/#)）
第".卷 第!期 中国锅炉压力容器安全 ·!!·

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